Vo štvrtok 24. novembra v jednom z najprestížnejších vedeckých časopisov - Príroda- objavil sa článok vedcov, ktorým sa po prvý raz podarilo získať Boseho-Einsteinov kondenzát na báze fotónov. S najväčšou pravdepodobnosťou väčšine čitateľov predchádzajúca veta nič nehovorila – a niet sa čomu diviť. Bose-Einsteinov kondenzát je veľmi špecifická, ale neuveriteľne zaujímavá forma hmoty, niekedy označovaná ako jej piaty stav, ktorá sa rovná pevnej, kvapalnej, plynnej a plazme. Keď je látka v tomto stave, začnú sa v nej objavovať kvantové efekty na makroúrovni – v skutočnosti je Bose-Einsteinov kondenzát veľká (veľmi veľká) kvantová častica.

teória

Bose-Einsteinov kondenzát (BEC) založený na fotónoch je veľmi „pokročilou“ verziou BEC a veľmi dlho sa verilo, že sa v zásade nedá získať. Ale predtým, ako o tom budeme hovoriť, stojí za to vysvetliť, čo je Bose-Einsteinov kondenzát. Za rodisko tohto konceptu možno považovať Indiu – práve tam človek väčšinu času žil a pracoval, čo prvýkrát naznačuje možnosť existencie predtým neznámeho stavu hmoty. Tento muž sa volal Shatyendranath Bose a bol jedným zo zakladateľov kvantovej mechaniky.

Na oslavu vedeckých zásluh Boseho bol po ňom pomenovaný jeden z typov elementárnych častíc, bozóny. Medzi bozóny patria napríklad fotóny – nosiče elektromagnetizmu a gluóny, ktoré nesú silnú interakciu a určujú vzájomnú príťažlivosť kvarkov. Do tejto kategórie elementárnych častíc patrí aj známy Higgsov bozón, na ktorého hľadanie bol vytvorený Veľký hadrónový urýchľovač.

Príslušnosť častice k bozónom je určená jej spinom - vlastným uhlovým momentom hybnosti elementárnych častíc (niekedy sa pojem spin definuje ako rotácia častice okolo vlastnej osi, ale takéto znázornenie situáciu príliš zjednodušuje). Spin bozónu je vždy celé číslo - to znamená, že je vyjadrený ako celé číslo. Ďalšia škála elementárnych častíc - fermióny - má polovičný celočíselný spin.

Fermióny (vľavo) sa zoraďujú podľa energií kvantových úrovní, zatiaľ čo bozóny (vpravo) sa môžu hromadiť na úrovni s najnižšou energiou. Obrázok 23. vydania PersT Bulletinu, 2003

Bosóny a fermióny sa od seba líšia nielen hodnotou spinu - tieto častice sa líšia v mnohých základných vlastnostiach. Najmä bozóny nemusia dodržiavať takzvaný Pauliho princíp alebo zákaz, ktorý predpokladá, že dve elementárne častice nemôžu byť v rovnakom kvantovom stave. Kvantové stavy sa navzájom líšia energiou a pri nízkych teplotách fermióny (ktoré prísne dodržiavajú Pauliho vylúčenie) postupne vypĺňajú po sebe nasledujúce stavy. Ako prvé sú obsadené stavy s najnižšou energiou (najviac „nestresované“ pre častice) a posledné sú stavy s najvyššou energiou. Najjasnejšie je, že táto vlastnosť fermiónov zoradiť sa do radu podľa kvantových stavov je badateľná pri nízkych teplotách, keď správanie systému nie je maskované teplotnými výkyvmi.

Bozóny sa pri nízkych teplotách správajú inak – nie sú obmedzené Pauliho vylúčením a preto majú tendenciu obsadzovať tie najvýhodnejšie miesta, teda kvantové hladiny s najnižšou energiou, ak je to možné. Výsledkom je, že keď sa bozóny ochladia, stane sa toto: začnú sa pohybovať veľmi pomaly – rýchlosťou rádovo niekoľko milimetrov za sekundu, veľmi tesne sa „tlačia“ na seba, „skočia“ do rovnakého kvantového stavu a nakoniec sa začnú správať koordinovane - tak, ako by sa správala jedna obrovská kvantová častica.

Práve o tejto premene, ktorá by mala nastať pri bozónoch pri teplotách blízkych absolútnej nule, napísal Shatyendranath Bose Albertovi Einsteinovi začiatkom 20. rokov 20. storočia. Bose sa chystal poslať svoje výpočty do časopisu Zeitschrift fur Physik, no Einsteina tak inšpirovali myšlienky svojho indického kolegu, že svoj článok okamžite preložil z angličtiny do nemčiny a poslal do redakcie. Tvorca všeobecných a špeciálnych teórií relativity rozpracoval Boseove myšlienky (Hinduisti považovali len fotóny a Einstein doplnil Boseho teóriu o časticiach s hmotnosťou) a svoje závery prezentoval v ďalších dvoch článkoch, ktoré vyšli aj v r. Zeitschrift fur Physik.

Prax

Teória BBE bola teda vo všeobecnosti vyvinutá v prvej tretine 20. storočia, ale vedcom sa podarilo získať hmotu v tomto stave až po 70 rokoch. Dôvod oneskorenia je jednoduchý – na to, aby sa bozóny začali správať ako jeden kvantový systém, je potrebné ich ochladiť na teplotu, ktorá sa od absolútnej nuly (mínus 273,15 stupňa Celzia) líši o niekoľko milióntin stupňa. Fyzici dlho jednoducho nemohli dosiahnuť také nízke teploty. Druhým problémom bolo, že mnohé látky sa pri priblížení k absolútnej nule začínajú správať ako kvapaliny a na získanie BEC je potrebné, aby zostali „plynmi“ (slovo „plyn“ je v úvodzovkách, keďže pri ultranízkych teplotách častice látky strácajú svoju pohyblivosť – jeden zo základných znakov plynu).

V polovici 90. rokov sa ukázalo, že alkalické kovy sodík a rubídium si po ochladení zachovávajú svoje „správne“ vlastnosti, čo znamená, že teoreticky môžu prejsť do stavu BEC (ako izotop rubídia-87, tak jediný izotop sodík-23 majú celočíselné atómové spiny a sú to takzvané kompozitné bozóny). Aby sa teplota atómov rubídia znížila na požadované ultranízke teploty, výskumníci Eric A. Cornell a Carl Wieman z JILA – spoločného inštitútu amerického Národného inštitútu pre štandardy a technológie (NIST) a University of Colorado at Boulder - použité laserové chladenie spolu s chladením odparovaním.

Pomocou laserov sa atómy ochladzujú nasledovne: atóm absorbuje fotóny pohybujúce sa smerom k nemu a potom vyžaruje žiarenie. V tomto prípade dochádza k postupnému spomaľovaniu atómu a znižuje sa teplota agregátu atómov. Samotné chladenie laserom však nestačí na dosiahnutie teplôt, pri ktorých je možný prechod do stavu BEC. Extra zlomky stupňa môžete „odstrániť“, ak zo zmesi odstránite najrýchlejšie atómy (podľa toho istého princípu sa ochladí šálka čaju, ktorá zostane na stole).

Podľa princípu kvantovo-vlnového dualizmu sa objekty mikrosveta môžu správať ako častice aj ako vlny. Aby látka prešla do stavu BEC, jej atómy sa musia k sebe priblížiť na vzdialenosť porovnateľnú s ich vlnovou dĺžkou. Potom vlny začnú interagovať a správanie jednotlivých častíc sa skoordinuje.

V roku 1995 sa vedcom z JILA podarilo ochladiť asi 2 000 atómov rubídia-87 na teplotu 20 nanokelvinov (jeden nanokelvin je 1x10 -9 kelvinov) a v dôsledku toho prešli do stavu KBE. Kondenzát bol udržiavaný v experimentálnej komore pomocou špeciálneho magnetického zachytávača. Štyri mesiace po tom, čo skupina Cornell a Wieman zverejnila výsledky svojich experimentov, sa objavil článok fyzika Wolfganga Ketterleho z Massachusettského technologického inštitútu (MIT), ktorému sa podarilo získať BEC na báze atómov sodíka. Ketterle použil trochu iný princíp držania atómov v magnetickej pasci a podarilo sa mu preniesť do „piateho skupenstva hmoty“ oveľa viac atómov ako jeho kolegom z JILA. V roku 2001 boli všetci traja vedci ocenení Nobelovou cenou za fyziku.

Od roku 1995 sa získavaním a štúdiom BEC zaoberá mnoho skupín fyzikov, ktorí študovali víry, ktoré v ňom vznikajú, interferenciu vĺn medzi kondenzátmi a mnohé ďalšie. V roku 2009 vedci prvýkrát v tomto stave atómov vápnika - vznikajúce vlnenie pre tento prvok je zreteľne jasnejšie ako pre alkalické kovy. V roku 2003 bola skupina Ketterle schopná vytvoriť analóg lasera z BEC a dokonca získať BEC z fermiónov. Napokon, v roku 2010 to bolo prvýkrát – veľa fyzikov si bolo dlho istých, že je to v zásade nemožné.

Odborníci verili najmä tomu, že svetelné kvantá budú absorbované stenami experimentálnej komory a „uniknú“ pred experimentátormi. Na zachytenie, ochladenie a zadržanie dostatočného množstva fotónov na získanie a štúdium BEC použili vedci z Bonnskej univerzity dve zakrivené zrkadlá, ktorých vzdialenosť bola približne 1,5 mikrometra – to je porovnateľné s vlnovou dĺžkou fotónov v kvantovom stave s minimálna energia.

Metóda laserového chladenia pre fotóny nie je použiteľná – interagujú medzi sebou príliš slabo, preto ich vedci ochladzovali špeciálnym farbivom, ktoré absorbovalo a vyžarovalo svetelné kvantá. Fotóny sa zrážali s jeho molekulami a postupne sa ich teplota vyrovnávala s teplotou farbiva. Na rozdiel od atómov sa na získanie BEC na báze fotónov nemusia ochladiť na nulu kelvinov – k prechodu dochádza už pri izbovej teplote. Samotní výskumníci „napumpovali“ fotóny do štrbiny pomocou laseru. Prechod do stavu BEC nastal, keď sa počet fotónov priblížil k 60 000.

Čitatelia sa môžu čudovať, prečo sa vedci obťažujú týmto nepochopiteľným KBE. Čiže čisto zásadný záujem fyzikov „cítiť“ a priamo vidieť prejavy zákonov kvantovej mechaniky je pochopiteľný, ale má „piaty stav“ nejaké užitočné praktické uplatnenie? Podobne ako v prípade iných fyzikálnych objavov je takáto otázka predčasná – je nepravdepodobné, že by vedci, ktorí skúmali vlastnosti rádioaktívneho rozpadu alebo elektrónov, dokázali predpovedať, aké rozsiahle budú následky ich práce.

Po prvé, skôr či neskôr inžinieri prídu s novými zariadeniami, v ktorých sa skúmané objekty priamo používajú a ktoré nebolo možné vynájsť skôr, ako fyzici opísali vlastnosti týchto objektov. A po druhé, štúdium nových javov rozširuje ľudské chápanie fyziky a umožňuje v budúcnosti objavovať a vysvetľovať ďalšie dovtedy neznáme javy, ktoré budú tvoriť základ nových zariadení a technológií atď.

V súčasnosti sa za jednu z najzreteľnejších praktických aplikácií BEC považuje vytvorenie ultrapresných detektorov na jeho základe, napríklad detektorov magnetických alebo gravitačných polí. Podrobnejšie predpovede sa dajú robiť, keď sa ďalej študujú vlastnosti BEC, ktorý sa pohybuje veľmi, veľmi rýchlo.

BOSE-EINSTEINOVÁ KONDENZÁCIA(Bose kondenzácia) - kvantový jav spočívajúci v tom, že v systéme veľkého počtu častíc poslúcha Štatistika Bose - Einstein(Bose plyn alebo Bose kvapalina), pri nižšej teplote teplotná degenerácia v stave s nulovým menným impulzom je konečný zlomok všetkých častíc systému. Termín "B-E. to." vychádza z analógie tohto javu s kondenzáciou plynu na kvapalinu, aj keď tieto javy sú úplne odlišné, pretože počas B.-E. až dochádza k nemu v priestore hybnosti a rozloženie častíc v súradn. priestor sa nemení. Teória B.-E. to., ktorú skonštruoval A. Einstein (A. Einstein) v roku 1925 a ktorú rozvinul F. London (F. London) v roku 1938.

Keďže BEC sa vyskytuje aj v ideálnom plyne Bose, je to spôsobené vlastnosťami vlnovej funkcie častíc a nie interakciami medzi nimi. Pre ideálny plyn Bose od Bose - Einsteinovo rozdelenie

(kde T- abs. temp-pa, napr R- energia častice s hybnosťou - chem. potenciál) z toho vyplýva, že v najnižšom energetickom. stav s časticami is. Z pozitíva vyplýva, že Ak faktor degenerácie je blízko 1, potom môže byť v stave c veľa častíc. Preto nemožno pri výpočte cp zanedbať príspevok častíc c. množstvá. Z podmienky stálosti celkového počtu častíc v objeme V nasleduje ur-tion pre:

je de Broglieho vlnová dĺžka zodpovedajúca tepelnému pohybu, t je hmotnosť častice. Odtiaľ T0- rýchlosť Boseovej kondenzácie alebo rýchlosť degenerácie sa zistí zo stavu , ktorý je zapísaný v stope. forma: .

O T = 0 všetky častice sú v kondenzáte, zatiaľ čo v kondenzáte je len N 0 častíc a zvyšok poslúchne s . Keď sa ukáže, že tlak je funkciou iba teploty a nezávisí od objemu, pretože častice kondenzátu, ktoré nemajú hybnosť, neprispievajú k tlaku. Pri , derivácia tepelnej kapacity zažije konečný skok, zatiaľ čo samotná tepelná kapacita, energia a tlak zostávajú nepretržité, preto systém prechádza akýmsi fázovým prechodom.

kde a je dĺžka rozptylu pre interakčný potenciál. Ak hustota nie je malá, potom je možné počet častíc v kondenzáte odhadnúť variačnou metódou. Pre kvapalinu Bose s interakciou molekúl ako tvrdých guľôčok s priemerom b

Pre cm je teda cm3 0,08. Podľa odhadov na základe rozptylu neutrónov je hustota kondenzátu v niekoľkých % a má približne rovnakú teplotnú závislosť ako hustota supratekutej zložky. Hustotu častíc kondenzátu a hustotu supratekutej zložky však nemožno identifikovať, pretože pri T = 0 Všetka kvapalina je supratekutá, hoci nie všetky jej častice sú v kondenzáte.

V plyne z atómov bozónu niektoré atómy úplne strácajú svoju kinetickú energiu a hybnosť pri dostatočne nízkej, ale konečnej teplote. Takéto atómy sa nazývajú bosový kondenzát z lat. condenso – „zahustiť“. Vlnové funkcie atómov kondenzátu sú vzájomne fázovo prispôsobené. Na tomto základe vyvinuté atómové lasery emitujúce atómy s koherentnými vlnovými funkciami.

Fenomén totálnej straty kinetickej energie pre časť ideálneho bosonického plynu pri nízkej teplote teoreticky objavil A. Einstein v roku 1925. Proces tzv. Boseova kondenzácia častíc v priestore hybnosti . Podrobne ju študovali Fritz a Heinz London v roku 1938. Boseova kondenzácia je dôsledkom skutočnosti, že chemický potenciál bosonického plynu nemôže byť pozitívny. Pri normálnej teplote je chemický potenciál plynu negatívny. So znižovaním teploty sa chemický potenciál zvyšuje a pri dostatočne nízkej teplote dosahuje najvyššiu možnú hodnotu. Ďalší pokles teploty spôsobí pokles počtu častíc v plynnej fáze a časť atómov spadne do kondenzátu.

Heinz London (1907 – 1970) a Fritz London (1900 – 1954) –

zakladateľ teórie supravodivosti a kvantovej chémie

Experimentálne nebolo možné získať kondenzáciu viac ako 50 rokov, pretože pri nízkych teplotách medziatómová interakcia navzájom priťahuje atómy, vytvárajú sa zhluky a potom kvapalné alebo pevné skupenstvo pred začiatkom Boseovej kondenzácie. Zhluk vzniká, keď sa zrazia tri alebo viac častíc, čo je pravdepodobnejšie pri vysokej koncentrácii. Pri nízkej koncentrácii častíc prevládajú párové zrážky, ktoré zabezpečujú nastolenie tepelnej rovnováhy. Aby sa zabránilo tvorbe zhlukov, je potrebné znížiť koncentráciu plynu. Metastabilný Boseho kondenzát v riedených plynoch atómov rubídia, sodíka, lítia prvýkrát získali W. Ketterle, K. Wiman a E. Cornell v roku 1995. Atómy vodíka boli kondenzované v roku 1997. Boseho kondenzát vykazuje jedinečné vlastnosti: teplotu, rýchlosť svetla , rýchlosť zvuku.

Wolfgang Ketterle, Carl Wiemann, Eric Cornell

atómy bozónu. Spin atómu je súčet spinov elektrónov obalu a nukleónov jadra, ich spiny sú rovné 1/2. Počet elektrónov sa rovná počtu protónov, takže ich celkový spin v elektricky neutrálnom atóme je celé číslo. Spin atómu je určený počtom neutrónov. Bozóny sú atómy s párnym počtom neutrónov. , napríklad: 1 H 1 , 2 He 4 , 3 Li 7 , 11 Na 23 , 37 Rb 87 , kde spodná číslica je poradové číslo prvku v periodickej tabuľke alebo počet protónov v jadre, horná číslica je hmotnostné číslo alebo počet protónov a neutrónov v jadre. Atóm s rovnomerným rozdielom v čísliciach je bozón. Pri ultranízkych teplotách sú atómy v základnom stave, takže prvé dva majú nulový spin, zatiaľ čo posledné tri majú spin jeden. Počet stavov otáčania

Baryónový počet nukleónov je zachovaný, takže počet atómov v izolovanom systéme sa nemení.

Rozloženie energie bozónov. Pre priemerný počet častíc v jednom stave používame Bose-Einsteinovu distribúciu (4.10).

,

a hustota stavov trojrozmerného plynu (3.8)

, .

Dostaneme počet častíc v energetickom intervale v plyne s objemom V

. (4.77)

Celkový počet častíc nájsť z (4,77)

. (4.78)

Chemický potenciál sa určí z (4,78). Pri zmene teploty zostáva počet častíc rovnaký, potom od T nezávisí

,

kde sa berie do úvahy. Preto, keď teplota klesá, |m| sa znižuje a chemický potenciál sa zvyšuje zo záporných hodnôt na nulu. Ak je teplota, pri ktorej chemický potenciál zaniká:

potom, keď

. (4.79)

Keď teplota klesne pod, rast μ je nemožný a (4.78) je splnené v dôsledku poklesu počtu častíc plynu .

Prah kondenzácie je horná hranica teplotného rozsahu, kde je chemický potenciál nulový. Z (4,78) dostaneme

,

kde N je počet častíc plynu pri normálnej teplote. Použitím

pre , nájdeme integrál

,

dostaneme

. (4.80)

Prahová teplota kondenzácie sa zvyšuje so zvyšujúcou sa atómovou koncentráciou a s poklesom hmotnosti atómu .

Hmotnosť atómu je vyjadrená v molárnej hmotnosti

koncentrácia atómov je vyjadrená ako molárny objem

.

Z (4,80) v sústave jednotiek ČGS získame

[KOMU]. (4,81)

Pre 2 He 4 s parametrami:

, , ,

Dostávame de Broglieho vlnovú dĺžku na . Pre atóm s priemernou energiou

a hybnosť

použite (4,80) a získajte

,

.

Vzhľadom na to, kde d je priemerná vzdialenosť medzi atómami, zistíme

.

S poklesom teploty sa de Broglieho vlnová dĺžka atómu zväčšuje a po dosiahnutí prahu kondenzácie sa porovnáva so vzdialenosťou medzi atómami. Vlnové funkcie častíc sa prekrývajú, interferujú a Boseho kondenzát vykazuje kvantové vlastnosti.

Počet kondenzovaných častíc. V teplotnom rozsahu je chemický potenciál nulový. Pri teplotách pod T 0 rovnica (4,78)

, ,

uskutočnené znížením počtu častíc v plynnej fáze z počiatočného N k prúdu N 1 (T). Podobne ako (4.80) dostaneme

, .

Výsledok sa vydelí (4,80)

,

a nájdite počet a koncentráciu častíc zostávajúcich v plynnej fáze:

, (4.82)

. (4,82a)

Počet kondenzovaných častíc

. (4.83)

Relatívny počet kondenzovaných častíc je znázornený na obrázku.

Vnútorná energetická a tepelná kapacita. Používanie (4,77)

,

získať vnútornú energiu

, (4.84)

V oblasti kondenzácie nájdeme

, (4.85)

.

Vnútorná energia je určená len príspevkom plynnej fázy, vnútorná energia kondenzovanej fázy je nulová . Od (4,85) a (4,82)

nájdeme energiu na časticu plynnej fázy v oblasti kondenzácie:

. (4.86)

Z (4.85) zistíme tepelnú kapacitu pod prahom kondenzácie:

. (4.87)

Vzhľadom na (4,80)

,

z (4.87) získame tepelnú kapacitu pri kondenzačnej teplote

. (4,87a)

Voľná ​​energia. Od (4,85)

a z Gibbs-Helmholtzovej rovnice (2.29) zistíme

. (4.88)

Entropia a tlak vyjadrené ako voľná energia

Ak vezmeme do úvahy (4.88) v oblasti kondenzácie, získame

, (4.89)

, (4,90a)

Výraz (4.90b) je stavová rovnica nerelativistického ideálneho kvantového plynu a zhoduje sa so stavovou rovnicou klasického ideálneho plynu. Porovnanie (4,89) a (4,82)

,

nájdeme to entropia je úmerná počtu častíc plynnej fázy . v dôsledku toho entropia kondenzovanej fázy je nulová . Tlak (4.90a) je určený teplotou a nezávisí od objemu. Kondenzované častice majú nulovú hybnosť a nevytvárajú tlak. Je určená koncentráciou častíc plynnej fázy (4.82a)

,

. (4.91)

Realizácia kondenzácie. Zrážky dvoch častíc zabezpečujú termodynamickú rovnováhu plynu. Zrážky troch telies vedú k vzniku kvapalného a pevného skupenstva. Pri relatívne vysokých hustotách plynu sú významné zrážky troch častíc. Medziatómová interakcia vytvára pri nízkych teplotách kvapalný alebo kryštalický stav. Pri nízkej hustote plynu je pravdepodobnosť zrážky troch častíc oveľa menšia ako zrážky dvoch častíc. Výsledkom je, že pri nízkych teplotách je možný plynný metastabilný stav s dostatočne dlhou životnosťou. Prvé kondenzáty boli získané z atómov rubídia, sodíka, vodíka pri teplote plynnej fázy ~10–2 K, pod tlakom P < 10 –11 мм рт. ст. с числом частиц ~10 8 и концентрацией ~10 14 см –3 .

Zádrž plynu vo vákuovej sklenenej komore v priestore s veľkosťou menšou ako 1 mm, magnetická pasca . Systém cievok vytvára nerovnomerné magnetické pole s absolútnym minimom v strede. Magnetický moment atómu pm v magnetickom poli B prijíma energiu (- pm×B). Pre bod 2 v strede pasce je pole zanedbateľne malé; pre bod 1, mimo stredu, pole B silný. Pri termodynamickej rovnováhe sú elektrochemické potenciály vo všetkých bodoch rovnaké

.

magnetická pasca

V základnom stave atómu 2 He 4 sú spiny elektrónov nasmerované v opačných smeroch, ich magnetické momenty sú kompenzované a atóm nemá vlastný magnetický moment. Keď je v atóme zapnuté vonkajšie magnetické pole, vzniká kruhový prúd elektrónov v dôsledku javu elektromagnetickej indukcie. Podľa Lenzovho pravidla je indukovaný magnetický moment nasmerovaný proti vonkajšiemu poľu, to dáva

,

Chemický potenciál sa zvyšuje so zvyšujúcou sa koncentráciou častíc, potom dostaneme

Atómy s magnetickými momentmi nasmerovanými proti poľu sú vytlačené zo silného do slabého magnetického poľa - " diamagnetické atómy hľadajú slabé pole ". V dôsledku toho sa atómy zhromažďujú a držia v strede pasce. Retenčná oblasť vyzerá ako cigara s priemerom ~(10…50) µm a dĺžkou ~300 µm. Atómy sú z pasce odstránené krátkym impulzom vysokofrekvenčného žiarenia, ktoré nakloní magnetické momenty atómov. Vzniká superpozícia stavov s momentmi nasmerovanými proti poli a pozdĺž poľa, pričom posledný stav je vytlačený pascou.

Na udržanie Boseho kondenzátu boli vyvinuté aj mikroobvody, ktoré vytvárajú potrebnú konfiguráciu magnetického poľa vo vzdialenosti ~0,1 mm od ich povrchu a spotrebujú energiu ~1 W. V takýchto vzdialenostiach čip vytvára nerovnomernejšie magnetické pole ako cievka, čím poskytuje lepšie zadržiavanie plynu. Čip je miniatúrny, má izbovú teplotu, jeho tepelné žiarenie je slabo absorbované plynom. Zmenou prúdov čipu je možné pohybovať stredom lapača a posúvať Bose kondenzát pozdĺž povrchu čipu.

Plynové chladenie uskutočnené laserová metóda na základe Dopplerovho efektu. Ak sú náhodne sa pohybujúce atómy nasmerované na laserové žiarenie s frekvenciou n< n 0 , где n 0 – частота резонансного поглощения атома, то покоящиеся и движущиеся от лазера атомы не поглощают излучение. Атом, движущийся к лазеру со скоростью V, vníma frekvenciu

a pri n¢ = n 0 absorbuje fotón. V dôsledku toho atóm dostane impulz proti svojej rýchlosti a je spomalený. Excitovaný atóm vyžaruje energiu v priemere izotropne. Žiarenie v blízkej infračervenej oblasti spektra, vytvorené polovodičovými lasermi a nasmerované na plyn zo šiestich vzájomne kolmých strán, vedie k jeho ochladzovaniu.

Tiež používané chladenie odparovaním vyvrhnutím z periférie atómov pasce najvyššou rýchlosťou pomocou vysokofrekvenčného magnetického poľa. Nakláňa magnetické momenty, vytvára zložku v smere poľa, ktorá je vymrštená pascou. Častice s vyššou rýchlosťou sa rýchlejšie dostanú na hranicu plynu a ich koncentrácia na hranici je vyššia ako koncentrácia častíc s nízkou rýchlosťou. Preto je pravdepodobnosť vyparovania vysokoenergetických častíc vyššia. V prípade lapača na báze cievok dochádza k ochladzovaniu na teplotu plynnej fázy asi 10–7 K v čase od 10 s do 10 minút. Pre čip sa teplota potrebná na kondenzáciu dosiahne za menej ako 1 s. Koncentrácia atómov kondenzátu je ~ 1014 cm–3 a tepelná energia zodpovedá teplote pod 10–11 K.

Okrem troch agregovaných stavov hmoty, ktoré pozná každý siedmy žiak (tuhá látka, kvapalina a plyn), existujú aj ďalšie agregované stavy. Jedným z nich je Boseho kondenzát – stav hmoty, ktorý sa dosahuje pri teplotách blízkych absolútnej nule. V tomto stave hmota začína vykazovať rôzne zaujímavé vlastnosti, napríklad skupina častíc sa správa ako jedna častica. Možnosť takéhoto stavu predpovedal v roku 1925 Albert Einstein. V roku 1995 americkí fyzici Eric Cornell a Karl Wieman zorganizovali experiment, počas ktorého získali Bose-Einsteinov kondenzát (za tento objav dostali v roku 2001 spolu s Nemcom Wolfgangom Ketterlem Nobelovu cenu).

Vedci pri svojom experimente použili atómy kovu (rubídium). Ale myšlienka vytvoriť Bose-Einsteinov kondenzát z iných častíc, najmä fotónov, aby sa systém správal ako jeden „superfotón“, narazil na zásadný problém. Faktom je, že fotóny, hoci majú vlastnosti častíc, boli počas ochladzovania absorbované okolitými materiálmi, čím sa odhalil ich vlnový charakter.

Fyzikom z Bonnskej univerzity na čele s Martinom Weitzom sa tento problém podarilo vyriešiť.

Navyše pri izbovej teplote vytvorili Bose-Eishnteinov kondenzát.

V jednom z opisov tohto diela je napríklad taká fráza ako „malá senzácia“. Zoran Hadjibabich z University of Cambridge povedal New Scientistže práca nemeckých vedcov, ktorá publikované v Nature, "uzaviera kruh, ktorý Bose a Einstein teoreticky začali kresliť pred 85 rokmi."

Volker Lannert, Univerzita v Bonne

Obdiv si zaslúži aj jednoduchosť experimentálneho nastavenia nemeckých fyzikov. Vo svojom experimente použili dve vysoko reflexné konkávne zrkadlá vzdialené od seba 1 mikrón (10-6 metrov). Zrkadlá boli umiestnené do „farbiva“ – červeného tekutého organického média. Experimentátori do tohto prostredia pulzovali zelené laserové lúče. Svetlo, opakovane odrážané od zrkadiel, prechádzalo cez „farbivo“. V tomto prípade molekuly „farbiva“ absorbovali laserové fotóny a opätovne ich emitovali s nižšou energiou v žltej oblasti viditeľnej farby. To znamená, že vedci dosiahli vo svojej pasci rovnovážny energetický stav fotónov pri izbovej teplote.

"Počas tohto procesu sa fotóny ochladili na izbovú teplotu bez toho, aby sa "stratili," vysvetlil Martin Weitz.

Zvýšením počtu fotónov v inštalácii (na to bolo potrebné urobiť laser jasnejším) vedci dosiahli hustotu asi bilióna fotónov na centimeter kubický. Pri takejto hustote sa objavili fotóny, ktoré sa nemohli podieľať na energetickej bilancii. Tieto prebytočné fotóny súčasne prešli do stavu Boseho-Einsteinovho kondenzátu, kondenzovaného do jedného veľkého „superfotónu“. "Všetky fotóny začali prechádzať päty po päty," komentoval tento jav Weitz.

V porovnaní s tvorbou Boseho-Einsteinovho kondenzátu z ochladených atómov rubídia sa súčasný experiment zdá byť smiešne jednoduchý. povedal Nature News Matthias Weidemüller z univerzity vo Freibergu. Verí, že metóda kondenzácie svetla, ktorú navrhli nemeckí vedci, môže byť obzvlášť účinná na zhromažďovanie a zaostrovanie slnečného svetla v solárnych paneloch v zamračenom počasí, keď nie je možné zbierať priame svetlo.

Okrem toho táto schéma umožňuje vytvárať nové zdroje krátkovlnného laserového žiarenia, najmä röntgenového žiarenia.

Sám Weitz verí, že práca jeho a jeho kolegov môže pomôcť ďalej zmenšiť veľkosť elektronických zariadení, najmä počítačových mikročipov. To zase môže umožniť vytvorenie novej generácie počítačov s vyšším výkonom ako tie súčasné.

Wolfgang Ketterle, jeden z nositeľov Nobelovej ceny za získanie Boseho-Einsteinovho kondenzátu z atómov rubídia, uviedol: „Keď robím prednášky, hovorím študentom, prečo nemožno Bose-Einsteinov kondenzát získať pomocou fotónov, aby som ukázal zásadný rozdiel medzi fotóny a atómy. Ale teraz tento rozdiel zmizol."

Vo všeobecnosti možno častice rozdeliť na fermióny a bozóny (s polovičnými a celočíselnými spinmi). Keď bozóny ochladíte na teploty blízke absolútnej nule, môžu kondenzovať do spoločného stavu hmoty známeho ako Bose-Einsteinov kondenzát, keď je pomerne veľký počet atómov v identickom kvantovom stave, čo vám umožňuje pozorovať rôzne nezvyčajné javy. , ako rovnaká supravodivosť.

Prvý experiment pri získavaní kondenzátu sa zaoberal atómami rubídia ochladenými takmer na absolútnu nulu. Vľavo - údaje o rozdelení rýchlosti atómov pred objavením sa kondenzátu, v strede - bezprostredne po, vpravo - po určitom čase. (Ilustr. R. Zhang.)

Od teoretickej postulácie kondenzátu v roku 1925 po jeho prvý objav v laboratóriu ubehlo 60 rokov, no od dobytia všetkých vrcholov spojených s týmto javom je ešte veľmi ďaleko. Najmä kondenzát bol získaný na báze atómov rubídia v plynnom stave, aj keď oveľa lepšie by bolo zaobchádzať s fotónmi. Okrem čisto teoretického významu by takýto výsledok mohol nájsť aj uplatnenie – v laseroch s nezvyčajnými vlastnosťami či dokonca nových typoch solárnych batérií.

Môžu však fotóny „kondenzovať“? Ľahké častice nemajú žiadnu hmotnosť, čo sa zdá byť kľúčovou požiadavkou na získanie Bose-Einsteinovho kondenzátu. Aby prekonali tento problém, fyzici sa pokúsili obmedziť svetlo v optickej dutine medzi dve rovnobežné reflexné dosky, vďaka čomu by sa fotóny správali, ako keby mali hmotnosť. Aby sa zabránilo "úniku" svetla z takejto pasce, jej steny by mali byť mierne zakrivené.

V roku 2010 sa experimentálne ukázalo, že vytvorenie takejto pasce je celkom reálne, ale s interpretáciou výsledkov takýchto experimentov zostali vážne problémy. Aby sme si boli istí, bolo potrebné splniť niekoľko špecifických požiadaviek. Po prvé, celý systém musí byť dvojrozmerný, absolútne plochý, čo je v trojrozmernom svete veľmi ťažko realizovateľné. Po druhé, musíme si byť istí, že médium medzi fotónmi (a to nie je vzduch) neovplyvňuje ich „kondenzáciu“ počas chladenia.